电法超前探测技术与矿井含水构造精细探测.pdf

煤 矿 安 全 2 0 0 6 0 9 2 9 电法超前探测技术与矿井含水构造精细探测 高致宏 ， 王信文 ， 何继宾 ， 闫 述 1 ． 煤炭科学研究总院 西安分院， 陕西 西安 7 1 0 0 5 4； 2 ． 江苏大学， 江苏 镇江 2 1 2 0 0 2 摘要 较为详细地介绍电法超前探测的基本原理、 施工方法技术、 资料处理技术以及研究应用 现状， 就电法超前探测在矿井含水构造精细探测中需要注意的问题做 了初步的经验总结。 关键词 电法超前探测； 精 细探测 ； 矿井； 含水构造 中图分类号 T D 7 4 1 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 3- 4 9 6 X 2 0 0 6 0 9 0 0 2 9一 o 3 1 电法超前探测理论 1 ． 1 全 空间点电源的电场分布理论 电法超前探测以全空间点 电源 的电场分布理论 为基础。假设点电源 电流 ， 位于一个全空间均匀 介质p 。 中， 则点电源的电场分布特征具有 三维全对 称特点， 在距点电源距离为 r 处 电流密度J o I ／ 4 r r 2 ，电场强度 E 0 ， p 0 ／ 4 r r 2 ， 电位 V o I t , 0 ／ 4 , r r r ， 等 位面是以点电源为球心的同心球 面， 电位大小决定 于 3个因素 ， 即点 电源供 电电流 的大小 ， 、 介 质的导 电性p 。 以及观测位置 r ， 有了l , p 。 和 r 就可以计算出 空间任意一点的电场分布特征。实际工作中点电源 所处的介质肯定不是各向均匀性 的 ， 而 电法探测正 是要探测并解译这种不均匀性 ， 如果供 电电流 ，已 知， 而电位 和位置 r 可 以观测和测量 ， 则利用 四者 之间的关系可以推算出p ， p 是反映介质导电性差异 的基本参数， 也是电法探测利用的基本参数 1 ． 2 电法超前探 测基本原理 相对于全空间均匀介质中点电源电位分布的同 心球面， 在非均匀介质中， 等位球面的某个位置将发 生某种程度的畸变而成为一个 等位曲面 ， 这将决定 于介质中异常体的位置及导电性强弱。假设异常体 处于有利的空间位置、 具有适当的规模并与周围介 质存在足够明显的导 电性差异 ， 则在异常体的不 同 边界 假设为内侧与外侧， 也是其与周围介质的界 面 ， 等位面会有明显畸变， 即异常体内侧与外侧电 位有显著差异， 这种差异通过仪器观测和有关计算 可以捕捉 ， 基于此电法超前探测得 以基本 的理论支 持。电法超前探测原理示意图如图1 。 在A点供电， 测量电极 、 Ⅳ的电位差是过 、 基金项 目 煤炭科学研 究总院青 年创新基金 资助项 目 2 0 0 4 Q N 3 7 图 1 电法超前探测原理示意图 Ⅳ的 2 个同心球壳等位面的电压降， 在全空间条件 下， 球壳体包含了供电点前后左右上下等各个方向 的体积。显然 ， 前方 的异常信 息也 可以反映 到 MN 处。如超前勘探原理图所示， 巷道堵头内某位置的 异常会使测量电位差 曲线产生畸变 ， 但该畸变在堵 头内部并不能直接测 量， 图 1中虚线 所示 。由于体 积效应， 畸变的实质是球状等位面发生畸变， 既 M N 所在的球壳发生变形 ， 根据等值性原理， 在掘进巷道 内的测点上也可以观测这种变化， 所不同的是幅度 可能会降低， 如图 1中实线所示。 2 电法超前探测的施工方法技术 电法超前探测适宜于地下工程巷道或矿 山巷道 的掘进头前方探测， 大多使用单极 一 偶极装置， 即供 电电极 A置于巷道掘进头， 供电电极 置于无穷远 处且一般要求 A B 5倍 的超前探测距离 ， 一对测量 电极 、 Ⅳ在掘进头后边反方 向一定范围逐点移动 ， 观测点电源所产生的电位异常， 据此推断解释掘进 头前方的地质异常体。为了减少多解性、 提高分辨 率， 通常采用多 供电 源组合方式观测， 增加数据 采集量和信息含量。 如图2所示 ， 布置好供电及测量 电极后 ， 供电电 极、 无穷远 电极及仪器固定不 动 ， 对于某一个观测点 即一个 、 Ⅳ组合位置 ， 供电电极A ， 、 A 、 A 依次 维普资讯 3 0 煤 矿 安 全 T 0 3 8 2 图2 巷道掘进头电法超前探测的施工示意图 供电， 可以观测到测量电极 、 Ⅳ分别对应与它们 的 3组电位差， 这些电位差是以供电点 A ， ／ A ／ A ， 为球 心以经过 、 Ⅳ的2 个等位面之间的电压降， 如果掘 进头前方存在地质异常体， 则它的相关信息肯定包 含于该电位差中。由于电位差的大小与供电电流大 小 、 观测位置及介质导电性有关 ， 不便直接 比较， 但 利用它们可以推导出视电阻率参数， 该视电阻率是 一 个综合参数， 具有体积概念， 无疑包含了巷道前方 相应位置处一定体积的地质信息， 但却不等同于巷 道前方的实际电阻率。向后移动测量电极 M N， 重 复前面的方式观测 ， 可 以得到掘进头前方更远距 离 的地质信息， 直至取得掘进头前方一定宽度范围的 地质信息 ， 到达超前探测 目的。 3 电法超前探测资料处理与分析 电法超前探测的资料处理与传统的直流电法三 极工作装置相 比并无本质上的区别 ， 正如前文所述 ， 按照直流电法相应的公式即可计算出与巷道掘进头 前方位置对应的视电阻率， 尽管该视电阻率是一个 综合值， 资料分析的关键在于对其进行分析与判断， 寻找分离出巷道前方异常体的贡献部分， 大致可以 分为以下几个步骤。 第一步 数据整理与计算， 即对实测数据进行全 面的整理检查， 剔除明显受各种因素干扰而产生的 错误数据。 第二步 全空间校正 ， 由于电法超前探测理论建 立在全空间概念之上 ， 因而巷道 空间的影 响就不能 忽略。巷道空间影响的实质在于它部分地改变了电 流场的分布状态而使其不完全满足全空间概念， 致 使电测 曲线的特征发生了明显的变化。有学者提出 如下的经验校正公式， 理论 g o p s 实测 ， ， ’ 式中校正系数 -_ ， 为供电极距 ， 5为 1e ‘j 巷道横截面积。 根据稳定电流场的分布理论和直流电法勘探体 积的概念， 当供电电极距与巷道横截面的边长相比 较小时， 受巷道空间的排斥作用、 电流场呈半空间分 布， 此时测得的矿井 电测 曲线 主要为半空间效应 的 反映 接近于 1 ； 随着供电电极距的增大， 矿井电 测曲线表现为全空间效应和巷道空间影响的综合反 映， 巷道影响系数 。 介于 l 与2 之间， 而当供电电极 距与巷道横截面的边长相比足够大时， 巷道影响可 忽略不计， 此时 。 趋近于2 ， 实际验证表明该公式能 较好的起到全空间校正作用。 第三步 巷道后方、 顶底板及侧向异常的分析与 分离。由于电法超前探测是在巷道后方进行数据采 集， 利用电场分布的体积效应达到解译掘进头前方 的地质异常体的目。在电流场的分布中， 巷道后方 测量电极附近介质的变化会对电场的分布产生极大 影响， 并可能产生后方“ 假异常” ， 对前方异常的识 别造成困难， 若不处理 ， 将会使解释结果发生偏差甚 至错误。这种 “ 假异 常”的特 征是 在 同一个 测量 点 ， 不同供电电极产生的 电场具有同时放大或同时 缩小的关系， 即信号的强弱受供电电极位置的影响 较小， 而主要受测量电极处的地质异常体影响， 根据 此特点， 可以采用相应措施对其予以滤除， 从而使前 方有用异常得以显现。 由于全空 间的概念 ， 顶底板与侧 向异常 的性质 及表现形式是相同的， 他们与巷道后方异常有相似 的特点 ， 也可 以采取类似的方法予以剔除。 第四步 将经过校正和假异常分离剔除的电位 数据转换成较为直观的视电阻率参数进行成图与分 析。经过以上全空间校正和假异常分离以后的数 据， 基本可以反映巷道前方地质体的相关信息。以 巷道掘进头为参考点 ， 做每个供电点的视电阻率剖 面图， 采用综合交汇等方法判定异常位置并圈定其 范围， 最后给予相应的地质解释 。 4 矿井含水构造的电法超前探测 在矿山巷道掘进过程中， 含水构造的存在往往 伴随有相当程度的地质灾害威胁， 需要对掘进头前 方一定距离的含水构造进行探测， 电法超前探测相 对于其它地面物探手段， 更为接近探测 目标体 ， 具有 距离优势， 尤其是对含水构造可 以做到较为准确的 精细探测， 可以对潜在的水患灾害做到较为切合实 际的地质预报， 正是适应了这种现实需要， 因而具有 广阔的应用前景， 国内多家科研院所正在对此进行 深入研究。在一些受水患威胁较大的矿区， 如开滦、 邢台、 淮北 、 徐州、 兖州等地的众多煤矿 ， 煤炭科学研 究总院西安分 院做 了大量的研究性 试验 与推 广应 用， 并取得了相当良好的地质效果。 维普资讯 煤 矿 安 全 2 0 0 6 一 ∞ 3 l - 5 电法超前探测的研究应用现状与经验总结 5 ． 1 研 究与 应 用现状 尽管电法超前探测的研究与应用已取得了相当 的成就， 但不管是理论研究还是实际应用都存在许 多需要进一步研究和解决的问题。主要表现在两个 方面 第一 ， 理论研究有待深入与完善， 目前的资料 处理中对干扰异常 巷道后方及侧向异常 缺乏严 密有效的滤除措施 ， 常用 的手段仅限于较 为简单 的 比值或减差处理， 达不到量化处理和剔除的水平， 另 外受采集信息量的限制， 前方异常的解释只有位置 和宽度概念 ， 离三维解释相差较远 ， 对含水构造中水 量的解释只有定性和相对意义， 与生产实际需要尚 有差距。第二， 实际应用中， 资料的处理与异常解释 人为干预成分较大， 尤其是对假异常的判断一 I7_ ， 对工 作人员技术要求较高， 推广和应用效果受到限制。 5 ． 2经验 总结 基于长期从事电法超前探测研究与应用工作， 我们对大量成功与不成功的实例做了比较细致深人 的分析 ， 总结 出一些经验 数据采集阶段 供电电电极间距大小影响前方 交汇点高度和宽度， 极距越大异常包含顶底板及侧 帮信息越多 ， 极距越小异常包含顶底板及侧帮信息 越少， 因此供电电极间距选择要合适； 观测点间距的 大小决定采集信息的密度， 间距过大可能会漏掉有 效异常， 间距过小不但加大了工作量也不利于异常 区分， 因此观测点问距选择也要合适； 测量电极距大 小决定空间交汇球壳的厚度， 测量电极距大测量信 号越强， 利于数据采集， 但是前方异常的反映会减 小， 模糊了异常的识别， 又降低了勘探精度， 既要有 足够的观测信号又要保证勘探精度， 测量电极距大 小的取舍需要二者兼顾 ； 信号和干扰的识别， 在矿井 巷道开展超前探测， 干扰因素很多， 既有环境因素 如巷道后方积水 、 浮渣堆积 、 铁器 电器等 ， 也有 干 扰信号 各种电器设备产生的工业电流及电磁场干 扰 ， 因此， 一方面最好创造良好的工作，环境， 另一 方面数据采集时要善于判断干扰， 并采取有效的应 对措施 ， 从而保证数据质量。在此推荐一组较为理 想的观测 系统 设计 观测设 备 D ZI I A直 流 电法 仪、 超前探测距离 1 0 0 m 、 供电电极间距 A A A A ， 4 m、 测量电极间距MN 4 m、 无穷远A B 5 0 0 m、 观测点间距 4 m， 基本可以保证 2 Il l 以上宽度有意 义的地质异常体不被漏掉。 ． 资料解释阶段 假异常的识别与分离是一个十 分重要的环节 ， 电法超前 探测在一定程度上可 以归 结为弱信号的检测分离问题， 干扰因素比较多， 许多 情况下假异常的幅值比实际需要探测的有用异常幅 值大数倍， 给去伪存真带来相当困难， 加上各种物探 方法都有多解性的问题， 所以异常分析定性时， 要掌 握尽可能多的已知资料， 掌握后方异常、 侧向异常、 前方异常各自的不同特点， 总结出一般规律， 结合工 作区的具体特点， 把握异常定性的大方向， 利用排除 法去掉疑似的假异常， 然后再做细致 的分析与定量 解释， 这样才可能得出较为符合实际的探测结论。 另外， 就目前仪器装备水平和资料解释水平而言， 一 般情况下电法超前探测的有效距离 以 8 0～1 0 0 m为 宜 ， 更远距离的解释成果可做参考。 6结语 本文介绍 了电法超前探测 的基本理论、 施工方 法技术以及资料处理分析技术 ， 在此基础上特别介 绍了矿井巷道 电法超前探测 技术 的研究与应用 现 状， 并对实际应用中存在的一些问题进行了初步总 结， 希望能够抛砖引玉达到交流与促进之目的。 作者简介 高致宏 1 9 6 9一 ， 男， 1 9 9 2年毕业于中南工 业大学勘查地球物理专业， 现为煤炭科学研 究总院西安分院 高级工程师， 从事煤田电法勘探技术研究与应用工作。 收稿 日期 2 0 0 6一 o 6 0 2 ； 责任编辑 郭瑞年 维普资讯